車(chē)用LED燈源應用與設計

汽車(chē)上的燈光系統不但讓駕駛者能實(shí)際了解汽車(chē)的狀況，更提供了安全駕駛過(guò)程中，所必須兼具的條件。而新一代的光源－LED，這對許多消費者來(lái)說(shuō)一點(diǎn)也不陌生，甚至已進(jìn)一步擴大應用于汽車(chē)上，并根據各個(gè)應用面對于效能的不同需求，選擇適宜的LED產(chǎn)品?；旧?，由于LED與傳統的光源除了在外型上的差異之外，光形與效能輸出也有很大的差異，因此，要將LED完善地應用在汽車(chē)頭燈上，包括光學(xué)設計與散熱設計等，將與傳統汽車(chē)燈具的設計概念有所不同。一旦汽車(chē)能與LED成功地進(jìn)行整合，并克服技術(shù)門(mén)坎之際，將可為汽車(chē)設計開(kāi)創(chuàng )出嶄新的設計原理。

汽車(chē)上的燈光控制系統

從周遭的汽車(chē)上，可以看到LED已經(jīng)廣泛地應用到汽車(chē)上，包括：轉向指示燈源、顯示或者是車(chē)內相關(guān)照明，如汽車(chē)顯示儀表板、車(chē)頂照明燈，到車(chē)外的尾燈、前后指示燈、倒車(chē)燈、第三剎車(chē)燈等，或多或少都能見(jiàn)到LED在汽車(chē)燈源的相關(guān)應用。從系統的角度來(lái)說(shuō)，汽車(chē)上的燈光控制是汽車(chē)主體控制架構中的一個(gè)子系統，主要包括：車(chē)門(mén)控制與儀表板顯示系統，而基本架構則是收集車(chē)上各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)量，并進(jìn)一步視其狀態(tài)來(lái)對車(chē)上燈源進(jìn)行驅動(dòng)，并負載所需動(dòng)作的電能。

由此可見(jiàn)，汽車(chē)主體控制系統控制必須是依照不同功率需求的燈源進(jìn)行設計。換個(gè)角度，從LED在汽車(chē)上的應用來(lái)看，雖然LED在第三剎車(chē)燈的應用，到汽車(chē)尾燈、轉向燈到剎車(chē)燈，甚是在幾年前已將LED光源設置在車(chē)內作為照明之用，一步步開(kāi)創(chuàng )了LED作為車(chē)內外照明之用的想象空間。

不同的應用需求下　必須有不同的LED封裝技術(shù)

不同的LED組件有著(zhù)不同的應用途徑及環(huán)境范圍，因此封裝方式也有其差異，倘若LED的芯片及封裝技術(shù)能夠進(jìn)一步提升，產(chǎn)品亮度更可提高一倍。當隨著(zhù)應用層次的不同，汽車(chē)中心廠(chǎng)必須要選擇不同LED光源與封裝技術(shù)，才能面對車(chē)上各個(gè)不同的環(huán)境要求。一般來(lái)說(shuō)，LED在汽車(chē)工業(yè)方面的應用，乃是根據亮度的差異，將其簡(jiǎn)單歸類(lèi)為，指示燈號用、投射光源用與照明光源等三種不同類(lèi)型的需求列示如下：

?指示燈號的應用－由于此范圍所使用的LED光源流明值需求不高，其消耗功率也較低（約為70～200mW），所生成的熱源對封裝體的影響較小，所以許多廠(chǎng)商在設計封裝時(shí)，往往會(huì )忽視掉熱源可能會(huì )導致的后果，因此，大部分是采用樹(shù)脂類(lèi)的材料直接將LED整個(gè)包覆起來(lái)，再進(jìn)行封裝的動(dòng)作，也因為樹(shù)脂類(lèi)的材料對于熱的傳導系數較低（W/mK），容易產(chǎn)生散熱不佳的情況，使得LED組件與散熱系統之間的接口熱阻系數，會(huì )因此而提高。

?車(chē)內照明光源應用－除了上述所應用車(chē)內指示燈源之外，還可用于亮度要求較高的車(chē)內照明、霧燈與前后方向指示燈。因為亮度需求提高，其封裝功率也必須相對提升。不過(guò)，如此一來(lái)，LED很容易就會(huì )因為功率增加而影響到色彩衰減問(wèn)題，因而不得不將散熱問(wèn)題納入考慮的重點(diǎn)。在封裝設計上，除了可以使用樹(shù)脂類(lèi)的材料封裝外，還可以設計一金屬塊能在第一時(shí)間便將LED所產(chǎn)生的熱源導出，以便維持LED的發(fā)光效率與熱阻問(wèn)題。

?汽車(chē)投射燈源應用－這是目前在LED在汽車(chē)應用上封裝亮度要求最高的一樣，以前照明系統為主，包含了霧燈、近燈、遠燈，單個(gè)體的封裝必須達到4W以上，而熱阻則必須小于5K/W，才能在高溫的環(huán)境下，正常維持LED主體的散熱能力，保持LED光源的輸出效率在規定范圍內。

不同的應用層面　對于亮度需求也有所不同

基本上，以流明亮度的需求來(lái)看，一般在汽車(chē)內部所使用的照明設備大約需要80流明的亮度，大多采用表面黏著(zhù)型（Surface Mount Technology；SMT）的封裝方式，單體封裝約為2流明輸出之多，其發(fā)光效率則可以達到15～20lm/W之間。其次，車(chē)用的第三剎車(chē)光源則約略需要30流明的亮度，一般采用直徑5mm的炮彈型（Lamp）封裝技術(shù)，藉以加強設計光照角度及強度，再透過(guò)樹(shù)脂透鏡安裝在發(fā)光組件上，而達到對光的調節，其單體封裝亮度約4流明，發(fā)光效率則可達20～40lm/W。至于，汽車(chē)尾燈對于亮度的要求，約在300～500流明之間，一般采用1W的SMT封裝技術(shù)，單體封裝亮度約10～20流明，效率可達15～40lm/W。

以上是安裝在汽車(chē)上實(shí)際作為車(chē)體的光源量測數據，而目前LED廠(chǎng)與車(chē)廠(chǎng)正積極合作，試著(zhù)將LED導入前照系統（頭燈、霧燈）中，其中車(chē)廠(chǎng)對于頭燈的亮度需求約2,000流明的白光，LED廠(chǎng)目前則應用高瓦數的SMT LED封裝架構，每單體封裝可輸出100～200流明，效率預期提高至50～100lm/W，目前使用于車(chē)上的燈源可區分為白熾燈泡、鹵素燈泡、氣體放電式燈泡與LED光源。

如何開(kāi)始著(zhù)手LED汽車(chē)頭燈設計

?規范要求

開(kāi)始著(zhù)手設計頭燈之前，應先考慮法規上的相關(guān)規定，包括光型亮度、環(huán)境測試、亮度衰減等需求，進(jìn)一步考慮相關(guān)光學(xué)設計，機構設計，耐熱設計與電控設計等細節，對于LED而言，光學(xué)設計的考慮除了反射罩設計之外，尚需考慮LED本身的出光光型，不同的封裝型態(tài)將產(chǎn)生不同的光型輸出，進(jìn)一步將影響反射罩或成像透競的要求，與傳統頭燈設計需考慮不同燈泡（H1、H4、H7、H11等）類(lèi)似。

在傳統的頭燈設計上，燈泡本身的光子釋放來(lái)自加熱鎢燈絲，不會(huì )因自身發(fā)出的熱或來(lái)自引擎室的高溫而影響亮度輸出，散熱重點(diǎn)落在整個(gè)頭燈腔體的均溫設計而非燈泡的散熱，但在頭燈材料的選擇上則需考慮是否可承受來(lái)自燈泡的高溫，如汽車(chē)頭燈腔體約承受100℃的溫度，霧燈腔內溫度可高至300℃，所以在此選用的材料一般都以耐熱材為主。然而對于LED而言，其光子釋放來(lái)自于PN接口的能階跳動(dòng)，與溫度呈現負相關(guān)，溫度越高則光源輸出越弱，因此散熱成為L(cháng)ED作為光源設計的重要課題。

?光學(xué)設計

光學(xué)設計時(shí)先考慮法規需求，討論視角與強度關(guān)系，以近燈為例須針對其特殊的15度揚角設計。在傳統的燈具設計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強度角度，也發(fā)展出利用成像方式的魚(yú)眼透鏡設計法。不論何種的設計方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強度的光型輸出（Beam pattern），對傳統的光源而言，大多為柱狀光源，可產(chǎn)生類(lèi)似蝴蝶外型的光型輸出，進(jìn)而發(fā)展出來(lái)與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學(xué)組件。而利用LED作為光源設計燈具時(shí)，需重新考慮其光學(xué)特性由傳統的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠?，進(jìn)而搭配外部的光學(xué)組件而產(chǎn)生不同組合以應用于不同產(chǎn)品，依照德國車(chē)燈大廠(chǎng)HELLA的設計分類(lèi)，可將光源分為八大類(lèi)。

LED目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素燈泡與放電式燈泡，想得到相同的流明輸出，LED需要較大的封裝面積。隨著(zhù)光源輸出面積的增加，光學(xué)設計的難度也隨之提升，所以在現有的概念車(chē)上，都以模塊化光學(xué)設計取代既有的單一燈室設計，利用多組燈源達到傳統燈具的照明水平，除了降低光學(xué)設計的難度，也增加車(chē)體造型的設計感。

由于LED的輸入電能約有90%的轉換熱能必須排出，這遠比傳統燈源要來(lái)的高上許多；另外，LED晶粒歸類(lèi)于半導體材料，不能耐高溫（＜120°C），由晶粒至大氣的排熱只容許約50°C溫差，更是遠低于傳統燈泡，因此，散熱設計是LED光源區別于傳統光源的課題之一，再加上燈具不能使用風(fēng)扇散熱，而且燈具產(chǎn)品要能推廣到汽車(chē)市場(chǎng)普及，還得要進(jìn)一步考慮到外觀(guān)造型與燈具的光學(xué)設計原理，這將是高功率LED照明設備極為困擾的問(wèn)題。

嚴格來(lái)說(shuō)，傳統所使用的燈具所產(chǎn)生的熱源其實(shí)遠高于LED；不過(guò)，傳統燈具不會(huì )因為高溫而降低其光源輸出能力，但，LED的光輸出卻會(huì )因為本身接口問(wèn)題，使LED的發(fā)光